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引言：

　　電機(jī)調(diào)速實(shí)質(zhì)的探討，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展的重要理論問題。隨著近代變頻調(diào)速矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速控制理論的提出和實(shí)踐，很多有關(guān)文獻(xiàn)和論著都把調(diào)速的轉(zhuǎn)矩控制確認(rèn)為調(diào)速的普遍規(guī)律，并提出調(diào)速的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵在于電磁轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種觀點(diǎn)尚缺乏理論和實(shí)踐的證明，值得商榷。

　本文根據(jù)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換的普遍原理，提出并證明恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于電機(jī)的軸功率控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是功率控制的響應(yīng)，其關(guān)鍵為如何通過電功率控制軸功率。

　轉(zhuǎn)矩控制僅適于恒功率調(diào)速，它只是電機(jī)調(diào)速的局部，而不是調(diào)速的普遍規(guī)律。變頻調(diào)速所依據(jù)的是轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)際執(zhí)行的卻是功率控制，因此才沒有影響到應(yīng)用的正確性。

一、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制

　根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，凡電動(dòng)機(jī)都可劃分為主磁極和電樞兩個(gè)功能部分。主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)，電樞則是與磁場(chǎng)相互作用將電磁功率轉(zhuǎn)換為軸功率。

　直流電動(dòng)機(jī)的主磁極和電樞不僅結(jié)構(gòu)鮮明，而且功能獨(dú)立，無疑符合以上定義。而交流（異步）電動(dòng)機(jī)通常以定子、轉(zhuǎn)子劃分構(gòu)成，需加說明。

　根據(jù)所述電樞定義，異步機(jī)的軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子，因此，異步機(jī)真正的電樞是轉(zhuǎn)子。問題在于定子，一方面定子勵(lì)磁產(chǎn)生主磁場(chǎng)，故定子是主磁極。另一方面，定子又通過電磁感應(yīng)為電樞（轉(zhuǎn)子）輸送電磁功率，卻不產(chǎn)生軸功率，因此定子又具有電樞的部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。定子的這種復(fù)合功能，是異步機(jī)區(qū)別于直流機(jī)的主要特征。

　從電樞輸出角度觀察，電動(dòng)機(jī)的軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

　　ＰM＝ＭΩ (１)

　　或 Ω＝ＰM／Ｍ （２）

　公式（２）除了給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間的量值關(guān)系以外，同時(shí)表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終只能通過軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲得調(diào)節(jié)，前者簡(jiǎn)稱功率控制，后者簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩控制。

　　１. 功率控制

　功率控制是以軸功率ＰM為調(diào)速主控量， 作用對(duì)象必然是電樞或偽電樞。電磁轉(zhuǎn)矩在調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。

　即 Ｍ＝Ｍfz (３)

　當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就唯一地被決定了，因此電磁轉(zhuǎn)矩不僅與調(diào)速控制無關(guān)，而且不能隨意改變其量值。

　電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速的作用表現(xiàn)在調(diào)速的過渡過程，轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后的結(jié)果，此時(shí)，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

　設(shè)電機(jī)調(diào)速前的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω1，軸功率為ＰM1，調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω2，相應(yīng)的軸功率變?yōu)椋蠱2。 由于電磁轉(zhuǎn)矩：

　　Ｍ＝ＰM／Ω (４）

　　故調(diào)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋?/p>

　　Ｍ＝ＰM2／Ω

　　由于受慣性的作用，在ｔ＝0的調(diào)速瞬時(shí)Ω＝Ω1，故

　　Ｍ＝ＰM2／Ω1

　　t=0

　此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩將與原來的電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡，其變化規(guī)律為：

　　Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５）

　　電磁轉(zhuǎn)矩則為：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2

　隨著時(shí)間增大，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩減小，直至電磁轉(zhuǎn)矩與新的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，即：

　　Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz，

　轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在Ω2不變，電機(jī)調(diào)速結(jié)束。 上述的調(diào)速過程可以由圖１的框圖說明。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖１ 功率控制的調(diào)速流程

　功率控制作用的是電樞，主磁場(chǎng)或主磁通量保持不變，根據(jù)電機(jī)理論，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量，受限于電樞的最大載流量。因此功率控制調(diào)速時(shí)，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

２. 轉(zhuǎn)矩控制

　根據(jù)公式（２），電機(jī)轉(zhuǎn)速在軸輸出功率不變的前提下，與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限的約束，轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上只能在額定轉(zhuǎn)矩以下實(shí)現(xiàn)，因此屬于恒功率調(diào)速。

　電磁轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：

　　Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流機(jī)） (６)

　　或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流機(jī)） (７)

　受控的物理量為主磁通Φm，由于主磁通量Φm產(chǎn)生于主磁極，因此轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上是磁場(chǎng)控制，作用對(duì)象為主磁極。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡，即：

　　Ｍ＝Ｍfz

　由于調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化，因此要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化，即要求負(fù)載跟蹤電機(jī)。

　轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是弱磁調(diào)速，主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速。鑒于本文重點(diǎn)討論的是功率控制，故不贅述。

二、功率控制的方法與性能

　電機(jī)調(diào)速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實(shí)現(xiàn)。以異步機(jī)為例，圖２是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖２.異步機(jī)的等效網(wǎng)絡(luò)

　其中電樞（轉(zhuǎn)子）除產(chǎn)生軸功率輸出外，還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應(yīng)。由于該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率，其端口簡(jiǎn)稱Ｐs口。

　如果電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐs口為封閉不可控的。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控的， 轉(zhuǎn)子可以通過Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機(jī)的功率控制調(diào)速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對(duì)電樞實(shí)現(xiàn)軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用于籠型異步機(jī)，后者則適用于繞線型異步機(jī)。

　　１. 定子偽電樞功率控制。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖３.異步機(jī)定子功率控制調(diào)速

　作為偽電樞，定子向電樞（轉(zhuǎn)子）傳輸?shù)碾姶殴β剩?/p>

Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８）

電樞的軸功率則為：

ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 (９)

故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） (10)

　可見，控制偽電樞的輸入功率Ｐ1或增大其損耗△Ｐ1就可以控制電樞的軸功率，后者顯然是低效率、高損耗的調(diào)速，不宜推薦。

　控制Ｐ1調(diào)速的唯一方法是調(diào)壓━━變頻， 即所謂的變頻調(diào)速。由于：

Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 (11)

　故對(duì)于電壓源供電調(diào)節(jié)端電壓Ｕ1是控制功率Ｐ1的必須手段。問題的關(guān)鍵是為什么不能單純調(diào)壓，而必須輔以變頻？這是定子除了偽電樞的功能之外，還同時(shí)兼主磁極之故。

　　前已敘及，功率控制的要點(diǎn)有：

　　① 保持主磁通量不變

　　② 作用對(duì)象是電樞或偽電樞

　　③ 控制目標(biāo)是軸功率

　如果單純調(diào)壓而頻率不變，定子的主磁極功能就要受到嚴(yán)重影響。根據(jù)電機(jī)理論，做為主磁極，定子的主磁通量：

Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1

＝ＫＥ1／f1

≈ＫＵ1／f1 (12)

　恒頻調(diào)壓的結(jié)果，主磁通Φm將隨Ｕ1下降而減小，形成了前述的轉(zhuǎn)矩控制。更主要的是此時(shí)不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了電機(jī)損耗，與目的絕然相悖。

　設(shè)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，由轉(zhuǎn)矩平衡方程，電磁轉(zhuǎn)矩：

Ｍ＝Ｍfz＝const

又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1

＝ＣMΦmＩ2COSφ2 (13)

　設(shè)功率因數(shù)不變，定轉(zhuǎn)子電流Ｉ1、Ｉ2將隨主磁通Φm下降而正比增大，其結(jié)果功率Ｐ1不變，但定轉(zhuǎn)子損耗：

△Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1

△Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1

　將按電流的平方律增大。根據(jù)式（１０），軸功率控制雖能實(shí)現(xiàn)，卻屬低效率高損耗的調(diào)速。

　為此，異步機(jī)定子的功率控制調(diào)速，必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開。針對(duì)同一定子繞組，一方面使主磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)保持穩(wěn)定，同時(shí)又要控制其向電樞傳遞的電磁功率。

　于是變頻調(diào)速建立了一條重要原則，就是調(diào)壓變頻，且保證Ｖ／Ｆ（壓頻比）為常數(shù)，這樣就確保了上述控制要求的實(shí)現(xiàn)。順便指出，近代變頻調(diào)速的矢量控制，實(shí)際上就是遵循這一原理。矢量控制的核心思想，是把磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩游離開，分別加以控制，認(rèn)為調(diào)速的根本在于轉(zhuǎn)矩，而事實(shí)上游離的卻是磁場(chǎng)和電磁功率，雖然結(jié)果無誤，但理論上必須加以澄清。

２. 轉(zhuǎn)子功率控制

　對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)的調(diào)速，可以利用轉(zhuǎn)差功率端口━Ｐs口直接控制軸功率。方法是由Ｐs口移出或注入轉(zhuǎn)差功率。需要指出：

　　① 所述的轉(zhuǎn)差功率應(yīng)區(qū)別經(jīng)典電機(jī)學(xué)中的轉(zhuǎn)子損耗轉(zhuǎn)差功率，為此將后者稱為轉(zhuǎn)子損耗功率，記以△Ｐ2。

　　② 轉(zhuǎn)差功率有電能與熱能之分，分別記以Ｐes和Ｐrs，兩者性質(zhì)不同，對(duì)調(diào)速的影響也不同。

圖４.異步機(jī)轉(zhuǎn)子功率控制調(diào)速

　當(dāng)在轉(zhuǎn)子的Ｐs口引入電轉(zhuǎn)差功率Ｐes時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸功率：

ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４）

　式中的Pem為定子向轉(zhuǎn)子傳輸?shù)碾姶殴β剩娹D(zhuǎn)差功率的負(fù)號(hào)表示從Ｐs口移出，正號(hào)表示從Ｐs口注入。Ｐes屬電功率，故與電磁功率相合成，結(jié)果使軸功率ＰM發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)調(diào)節(jié)。

　電轉(zhuǎn)差功率調(diào)速的典型實(shí)例是串級(jí)調(diào)速和雙饋調(diào)速，前者的電轉(zhuǎn)差功率為負(fù)，流向?yàn)閺霓D(zhuǎn)子移出，故實(shí)現(xiàn)的是額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)速。后者的電轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動(dòng)，既可以移出，又可以注入，因此可以實(shí)現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速。

　當(dāng)Ｐs口引入的是熱轉(zhuǎn)差功率Ｐrs時(shí)， 轉(zhuǎn)子的軸功率則為：

ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） (１５)

　顯然熱轉(zhuǎn)差功率的引入，增大了電樞（轉(zhuǎn)子）的損耗，軸功率隨Ｐrs的增大而減小，其典型例子是異步機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。

三、功率控制的理想空載轉(zhuǎn)速，效率與機(jī)械特性

　根據(jù)電機(jī)學(xué)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速主要取決于電樞的電磁功率，因有：

Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６）

　由于電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)載所決定，理想空載轉(zhuǎn)速Ω0就決定于某一負(fù)載條件下電磁功率的大小。

　功率控制調(diào)速的電樞功率可以綜合表達(dá)為：

ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７）

　相應(yīng)的轉(zhuǎn)速：

ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８）

Ω＝Ω0－△Ω (１９)

　其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ為功率控制調(diào)速的理想空載轉(zhuǎn)速，因此調(diào)節(jié)電樞的電磁功率可以改變電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速。換言之，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速取決于電樞的電磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速降。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)速降。

　電機(jī)調(diào)速的效率表達(dá)為：

η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi）

＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2)

　因此，在一定的軸功率ＰM輸出條件下，控制電磁功率的調(diào)速是高效率的節(jié)能型調(diào)速，而控制損耗功率的調(diào)速必然是低效率的耗能型調(diào)速。

　公式（１８）同時(shí)刻畫出了功率控制調(diào)速的機(jī)械特性，當(dāng)連續(xù)改變電磁功率ΣＰem時(shí)，如果損耗功率不變，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速隨ΣＰem連續(xù)變化，其機(jī)械特性為一族平行的曲線。而增大損耗，電磁功率不變時(shí)，電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速不變，改變的只是轉(zhuǎn)速降，其機(jī)械特性為一族匯交型曲線。如圖５給出了兩種調(diào)速的定性曲線。

圖５ ａ.電磁功率調(diào)速特性 ｂ.轉(zhuǎn)速降調(diào)速特性

　綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

　　① 電磁功率控制調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率控制調(diào)節(jié)的是轉(zhuǎn)速降。

　　② 電磁功率控制是高效率節(jié)能型的調(diào)速，其機(jī)械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調(diào)速，其機(jī)械特性必為匯交型曲線族。

四、異步機(jī)調(diào)速的分類與方法

　與按n＝ 60f1/p·(1-S）表達(dá)式不同，根據(jù)本文所述的電機(jī)調(diào)速功率控制理論，異步機(jī)調(diào)速可分類表示如下：

　　　　　　　　　　　　性質(zhì)/方案 控制點(diǎn)/變量 方法 要點(diǎn)

五、結(jié)論

　　1. 電機(jī)調(diào)速的基本原理有兩種，一為軸功率控制，二是轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是磁場(chǎng)控制，適于恒功率調(diào)整。

　　2. 軸功率控制的調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩特性，電磁轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后所造成的，調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩只決定于負(fù)載，與控制無關(guān)。

　　3.軸功率控制的作用對(duì)象是電樞或偽電樞， 并最終只能通過電功率控制來實(shí)現(xiàn)。其中，電磁功率調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率改變的是轉(zhuǎn)速降。前者為高效節(jié)能型，后者為低效耗能型，兩者的機(jī)械特性亦由此決定。

　　4. 變頻調(diào)速和電轉(zhuǎn)差功率控制調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速，兩者性能一致，并無本質(zhì)差別。